杂填土场地基坑边坡土钉墙支护设计研究

2011-03-12王文忠李孝文

长春工程学院学报（自然科学版） 2011年2期

王鹏,王文忠,曹宇,李孝文

(1.吉林大学建设工程学院,长春 130026;2.吉林省林业勘察设计研究院,长春 130000;3.吉林省地质矿产勘查开发院,通化 134001)

0 引言

随着国家经济的繁荣发展,城市建设的规模在不断扩大,许多城市老的居民区在拆迁重建,郊区附近的工矿区等也在被城市扩建所吞噬,这些地区基本上都覆盖着较厚的杂填土。杂填土地基物质组成成分复杂、回填时间不一、颗粒大小不均,使其物理力学性质具有较大的离散性、无规律性,进而很难用统一的物理指标来描述不同地区场地的杂填土。同时,考虑到杂填土的诸多不规律性质,造成取样和原位测试都非常困难,甚至是不可能的。这样,岩土工程设计、施工就存在较大的困难。为此,针对一项杂填土厚度达12 m的边坡支护处理工程,进行了杂填土场地基坑边坡土钉墙支护的设计研究,为以后工程运用提供参考。

1 工程概况

长春市宽城万达广场位于长春市北部,人民大街西侧,铁北二路北侧,占地面积约112 861.06m2。地下拟设2～3层,拟采用桩基础。工程重要性等级为一级,场地、地基复杂程度等级为二级。本项目分A、B两区:A区地下为1层,地下室基坑槽底标高为208.000 m,基坑深度介于 5～7 m,总长度605.4 m;B区地下为2层,地下室基坑槽底标高为204.000 m,基坑深度介于 8～11 m,总长度944.5m。本基坑支护为临时工程,安全等级为二级。

2 水文、工程地质条件

2.1 地基岩土分布、特征

根据地质勘探部门提供的勘探报告,基坑支护范围内的地基土及其性质自上而下依次为:(1)杂填土:主要成分为黏性土,底部为老耕土,较厚的地段主要为新近杂填土,含较多碎石、砖块等,结构松散,层厚:1.50～15.30 m;(2)粉质黏土:软塑,高压缩性,层厚:0.00～5.50 m;(3)粉质黏土:可塑,中压缩性,层厚:0.70～7.50m。

2.2 水文地质条件

勘察期间为枯水季节,建筑场区内地下水位埋深在1.90～12.40m,地下水位标高约208.25 m,主要为黏性土中的潜水及杂填土中的孔隙水,粉质黏土的渗透系数经验值k=0.2m/d;场区内北侧有一水沟,东南侧由于长春地铁站点正在施工降水,故水位较低。根据地区经验,地下水位年变幅为1.00～2.00m,抗浮水位按现水位提高1.00m考虑。

3 支护设计

3.1 方案选择

根据周边环境及地质报告,提出以下2种设计方案;

第一种方案:拉锚式支护结构;

第二种方案:土钉墙支护结构。

经过论证,认为第一种支护方案虽然能够作为一个整体支护体系发挥作用,作业空间大,并且可以机械化施工,但是挖土作业需分层进行,施工周期长,同时耗费资金比较大,故未能采用。

第二种支护方案充分考虑了影响边坡安全稳定性的不利因素,同时兼顾经济、高效的原则,被确定为最终的基坑支护方案。基坑边坡面层加固采用挂贴￠8@200×200钢筋网;面层喷射(100±20)mm厚C20细石砼。

3.2 设计思路

土钉支护设计的特点:一般为工程类比设计与计算的相结合,辅以现场量测、试验,并对一些特殊要求、情况进行特殊的处理及局部修改设计,形成最终的设计。在此设计中采用圆弧滑动分析法进行计算,同时需着重考虑土体内摩擦角及黏聚力等因素的影响。计算公式如下:

3.2.1 支护水平荷载

计算点位于地下水以上,

式中:eajk——第j个土钉位置处的基坑水平荷载标准值;

σajk——作用于深度 zj处的竖向应力标准值;Kai——第i层的主动土压力系数;

cik——三轴试验确定的第i层土固结不排水

剪聚力标准值。

Kai=tan2(45°-ψik/2) (2)

式中:ψik——三轴试验的确定的第i层土固结不排水剪内摩擦角标准值。

3.2.2 单根土钉抗拉承载力计算

式中:Tjk——第j根土钉受拉荷载标准值;

Tuj——第j根土钉抗拉承载力设计值。

式中:ζ——荷载折减系数;

sxj、szj——第 j根土钉与相邻土钉的平均水平、垂直间距;

aj——第 j根土钉与水平面的夹角。

式中:γs——土钉抗拉抗力分项系数;

dnj——第 j根土钉锚固体直径;

qsik——土钉穿越第i层土土体与锚固体极限

摩阻力标准值;

lj——第j根土钉在直线破裂面外穿越第i稳

定土体内的长度。

3.2.3 土钉墙整体稳定性验算

根据施工期间不同开挖深度及基坑地面以下可能滑动,采用圆弧滑动简单分条法按下式进行验算:

4 设计计算

4.1 断面选择

通过对地质条件进行分析,可知各区域地质条件相差不大,但B区Ⅲ处杂填土的厚度达12.0 m,故选取此处地质条件作为计算条件更具特殊性。

4.2 计算基本原则

对于土钉墙结构,基坑边坡围护体的计算按规范进行各项稳定性验算,包括抗滑动、抗倾覆和整体稳定等,基坑开挖深度约为8.0 m,基坑坡角为53.1°,共设7道土钉,计算时考虑地面超载20 kPa。计算简图见图1。

图1 计算简图

4.3 设计参数及计算结果

4.3.1 设计参数

基坑深度8.0 m,基坑内地下水深10.0 m,基坑外地下水深度 10.0 m,基坑侧壁重要性系数1.00,土钉荷载分项系数1.25,土钉抗拉抗力分项系数1.30,整体滑动分项系数1.30。

坡线参数:水平投影6.0 m,竖向投影8.0 m,倾角53.1°。

土层参数:主要为新近杂填土,厚12.0m,含较多碎石、砖块等,容重 18.0 kN/m3,饱和容重18.0 kN/m3。由式(1)及(2)可以看出,黏聚力和内摩擦角的取值对支护水平荷载的大小有直接的影响,进而影响到边坡加固的设计,由几何关系可知后者对其影响更大。现场杂填土主要为碎石及砖块,土体的黏聚力较小,同时考虑相关的技术规程规范的要求,取黏聚力8.0 kPa,内摩擦角15.0°,钉土摩阻力20.0 kPa。

超载参数:超载类型为局部均布荷载,超载值20.0N/m,作用宽度10.0m,距坑边线距离1.5 m,条形作用形式。土钉参数见表1。

内部稳定设计条件:考虑地下水作用采用总应力法,土钉拉力在滑面上产生的阻力折减系数1.0,圆弧滑动坡底滑面步长1.0 m。

表1 土钉参数表

4.3.2 理正深基坑设计软件计算结果

(1)局部抗拉设计结果见表2。

表2 局部抗拉设计结果表

(2)内部稳定设计结果见表3。

表3 内部稳定设计结果

(3)土钉选筋计算结果见表4。

表4 土钉选筋计算结果

(4)喷射混凝土面层计算结果:设计参数:厚度100 mm,混凝土强度等级 C20,配筋计算 as=40 mm,水平配筋d8@200,竖向配筋d8@200,配筋计算as=40mm,荷载分项系数1.2。计算结果表明0～8 m范围内实配钢筋面积As=251.3 mm2。

(5)外部稳定计算参数:土钉墙计算宽度12.0 m,墙后地面的倾角 0.0°,墙背倾角 80.0°,土与墙背的摩擦角10.0°,与墙底的摩擦系数0.3,墙趾距坡脚的距离0.0m,墙底地基承载力150.0 kPa,抗水平滑动安全系数1.3,抗倾覆安全系数1.6。

(6)外部稳定计算结果:重力1 194.4 kN,重心坐标(6.977,3.404),超载61.8 kN,超载作用点 x坐标9.045 m,土压力265.4 kN,土压力作用点 y坐标2.720 m,基底平均压力设计值108.5 kPa＜150.0 kPa,基底边缘最大压力设计145.9 kPa＜1.2×150.0 kPa,抗滑安全系数1.621＞1.300,抗倾覆安全系数14.651＞1.600。